JP5752441B2 - Drive circuit, physical quantity detection device, angular velocity detection device, integrated circuit device, and electronic apparatus - Google Patents

Drive circuit, physical quantity detection device, angular velocity detection device, integrated circuit device, and electronic apparatus Download PDF

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Description

本発明は、駆動回路、物理量検出装置、角速度検出装置、集積回路装置及び電子機器に関する。   The present invention relates to a drive circuit, a physical quantity detection device, an angular velocity detection device, an integrated circuit device, and an electronic apparatus.

デジタルカメラ、ナビゲーション装置、携帯電話など、様々な電子機器にジャイロセンサーが搭載されており、ジャイロセンサーが検出した角速度の大きさに基づいて、手振れ補正、デッドレコニング、モーションセンシングなどの処理が行われる。   Various electronic devices such as digital cameras, navigation devices, and mobile phones are equipped with gyro sensors. Based on the angular velocity detected by the gyro sensor, processing such as camera shake correction, dead reckoning, and motion sensing is performed. .

近年、ジャイロセンサーの小型化と高い検出精度が要求されるようになり、これらの要求を満たすジャイロセンサーとして、例えば、水晶振動子の共振現象を利用した振動ジャイロセンサーが広く使用されている。このような振動ジャイロセンサーでは、高い検出精度を実現するためには、振動子になるべく大きいエネルギーを与えて振動子の発振を安定させることが有効である。そのため、従来の駆動回路では、振動子から出力される微小な発振電流を最大限まで増幅した矩形波の駆動信号を生成して振動子にフィードバックしている(特許文献1、2)。   In recent years, downsizing of gyro sensors and high detection accuracy have been demanded, and as a gyro sensor that satisfies these requirements, for example, a vibration gyro sensor using a resonance phenomenon of a crystal resonator is widely used. In such a vibration gyro sensor, in order to realize high detection accuracy, it is effective to stabilize the oscillation of the vibrator by giving as much energy as possible to the vibrator. Therefore, in the conventional drive circuit, a rectangular wave drive signal obtained by amplifying a minute oscillation current output from the vibrator to the maximum is generated and fed back to the vibrator (Patent Documents 1 and 2).

特開2008−14932号公報JP 2008-14932 A 特開2008−64663号公報JP 2008-64663 A

ところが、矩形波の駆動信号には、振動子の共振周波数成分以外にその奇数次の高調波成分も含まれるため、これらの高調波成分により、振動子の本来の振動モードとともに他の振動モードも励起する可能性があり、検出精度が劣化するおそれがある。   However, since the rectangular-wave drive signal includes the odd-order harmonic components in addition to the resonance frequency component of the vibrator, these harmonic components cause other vibration modes as well as the original vibration mode of the vibrator. There is a possibility of excitation, and the detection accuracy may be deteriorated.

振動子の駆動端子に十分な容量のコンデンサーを付加して駆動信号のエッジをなまらせることで高調波成分を小さくすれば、この問題を解決することができる。しかしながら、コンデンサーの容量値を大きくすると、振動子が安定発振するまでに要する時間が長くなるため、ジャイロセンサーの電源投入後、検出信号の電圧が適正なレベルになるまでに要する起動時間が長くなるという新たな問題が発生する。   This problem can be solved if a harmonic component is made small by adding a capacitor having a sufficient capacity to the drive terminal of the vibrator to smooth the edge of the drive signal. However, if the capacitance value of the capacitor is increased, the time required for the vibrator to oscillate stably increases, so the startup time required for the detection signal voltage to reach an appropriate level after the gyro sensor is turned on increases. A new problem arises.

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、振動子が安定発振するまでの時間を短縮するとともに安定発振を維持することが可能な駆動回路、物理量検出装置、角速度検出装置、集積回路装置及び電子機器を提供することができる。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and according to some aspects of the present invention, it is possible to shorten the time until the vibrator oscillates stably and to maintain stable oscillation. Possible drive circuits, physical quantity detection devices, angular velocity detection devices, integrated circuit devices, and electronic devices can be provided.

(1)本発明は、振動子を発振駆動する駆動回路であって、第1の信号線を介して入力された前記振動子の発振電流を電圧に変換する電流電圧変換部と、前記電流電圧変換部により電圧に変換された信号に基づいて前記振動子を発振駆動する駆動信号を生成し、当該駆動信号を第2の信号線を介して前記振動子に供給する駆動信号生成部と、前記電流電圧変換部により電圧に変換された信号に基づいて、前記振動子が発振を開始してから前記発振電流が所定値に達したか否かを検出する発振検出部と、前記発振検出部の検出結果に基づいて、前記発振電流が前記所定値に達するまで前記振動子の発振動作を補助する起動発振部と、第1のコンデンサーと、前記発振検出部の検出結果に基づいて、前記発振電流が前記所定値に達するまで前記第1のコンデンサーを前記第2の信号線から切り離し、前記発振電流が前記所定値に達した後は前記第1のコンデンサーを前記第2の信号線に接続するスイッチと、を含む、駆動回路である。   (1) The present invention is a drive circuit that oscillates and drives a vibrator, a current-voltage conversion unit that converts an oscillation current of the vibrator that is input via a first signal line into a voltage, and the current voltage A drive signal generator for generating a drive signal for oscillating and driving the vibrator based on the signal converted into a voltage by the converter, and supplying the drive signal to the vibrator via a second signal line; An oscillation detection unit that detects whether the oscillation current has reached a predetermined value after the vibrator starts oscillating based on a signal converted into a voltage by a current-voltage conversion unit; and Based on the detection result, based on the detection result of the start-up oscillation unit that assists the oscillation operation of the vibrator until the oscillation current reaches the predetermined value, the first capacitor, and the oscillation detection unit, the oscillation current Until the predetermined value is reached. Disconnecting the capacitor from the second signal line, wherein after the oscillation current reaches the predetermined value; and a switch for connecting said first capacitor to said second signal line, a driving circuit.

本発明によれば、駆動信号を振動子に供給する第2の信号線に対して、振動子の発振電流が所定値に達するまでは第1のコンデンサーが切り離され、振動子の発振電流が所定値に達した後は第1のコンデンサーが接続される。そのため、振動子の発振電流が所定値に達するまでは駆動信号のエッジがより急峻であり、振動子に効率的にパワーを供給することができるので、振動子が安定発振するまでの時間を短縮することができる。一方、振動子の発振電流が所定値に達した後は駆動信号のエッジがなまって高調波成分が小さくなるので、振動子の安定発振を維持することができる。   According to the present invention, the first capacitor is disconnected from the second signal line for supplying the drive signal to the vibrator until the oscillation current of the vibrator reaches a predetermined value, and the oscillation current of the vibrator is predetermined. After reaching the value, the first capacitor is connected. Therefore, the edge of the drive signal is steeper until the oscillation current of the vibrator reaches a predetermined value, and power can be supplied efficiently to the vibrator, reducing the time until the vibrator oscillates stably. can do. On the other hand, after the oscillation current of the vibrator reaches a predetermined value, the edge of the drive signal is lost and the harmonic component is reduced, so that stable oscillation of the vibrator can be maintained.

(2)この駆動回路において、前記第1のコンデンサーと前記スイッチが、前記第1の信号線と前記第2の信号線との間に直列に接続されるようにしてもよい。   (2) In this drive circuit, the first capacitor and the switch may be connected in series between the first signal line and the second signal line.

(3)この駆動回路は、前記第2の信号線に接続される第2のコンデンサーをさらに含むようにしてもよい。   (3) The drive circuit may further include a second capacitor connected to the second signal line.

(4)この駆動回路において、前記第2のコンデンサーは、前記第1の信号線と前記第2の信号線との間に接続されるようにしてもよい。   (4) In this drive circuit, the second capacitor may be connected between the first signal line and the second signal line.

(5)本発明は、上記のいずれかの駆動回路と、当該駆動回路により発振駆動される振動子と、を含む、物理量検出装置である。   (5) The present invention is a physical quantity detection device including any one of the drive circuits described above and a vibrator driven to oscillate by the drive circuit.

本発明によれば、電源を投入してから物理量の検出信号が所望の電圧レベルに達するまでの起動時間を短縮するとともに、高い精度で物理量を検出可能な物理量検出装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a physical quantity detection device capable of reducing the startup time from when the power is turned on until the physical quantity detection signal reaches a desired voltage level and capable of detecting the physical quantity with high accuracy.

(6)本発明は、上記のいずれかの駆動回路を含む、角速度検出装置である。   (6) The present invention is an angular velocity detection device including any one of the drive circuits described above.

本発明によれば、電源を投入してから角速度の検出信号が所望の電圧レベルに達するまでの起動時間を短縮するとともに、高い精度で角速度を検出可能な物理量検出装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a physical quantity detection device capable of reducing the startup time from when the power is turned on until the angular velocity detection signal reaches a desired voltage level and capable of detecting the angular velocity with high accuracy.

(7)本発明は、上記のいずれかの駆動回路を含む、集積回路装置である。   (7) The present invention is an integrated circuit device including any one of the drive circuits described above.

(8)本発明は、上記のいずれかの駆動回路を含む、電子機器である。   (8) The present invention is an electronic device including any one of the drive circuits described above.

本実施形態の角速度検出装置(物理量検出装置の一例)の機能ブロック図。The functional block diagram of the angular velocity detection apparatus (an example of a physical quantity detection apparatus) of this embodiment. 振動子の振動片の平面図。The top view of the vibration piece of a vibrator | oscillator. 振動子の動作について説明するための図。The figure for demonstrating operation | movement of a vibrator | oscillator. 振動子の動作について説明するための図。The figure for demonstrating operation | movement of a vibrator | oscillator. シリアルインターフェース回路の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of a serial interface circuit. 駆動回路の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of a drive circuit. 起動時のタイミングチャートの一例を示す図。The figure which shows an example of the timing chart at the time of starting. 検出回路の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of a detection circuit. 起動時間の短縮について説明するための図。The figure for demonstrating shortening of starting time. 電子機器の機能ブロック図。The functional block diagram of an electronic device.

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not unduly limit the contents of the present invention described in the claims. Also, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.

1.物理量検出装置
以下では、物理量として角速度を検出する物理量検出装置(角速度検出装置)を例にとり説明するが、本発明は、角速度、角加速度、加速度、力等の種々の物理量のいずれかを検出することができる装置に適用可能である。
1. Physical quantity detection device In the following, a physical quantity detection device (angular velocity detection device) that detects an angular velocity as a physical quantity will be described as an example. However, the present invention detects one of various physical quantities such as angular velocity, angular acceleration, acceleration, and force. It is applicable to a device that can

図1は、本実施形態の角速度検出装置(物理量検出装置の一例)の機能ブロック図である。本実施形態の角速度検出装置1は、振動子(センサー素子)100と信号処理IC(集積回路装置)2を含んで構成されている。   FIG. 1 is a functional block diagram of an angular velocity detection device (an example of a physical quantity detection device) according to this embodiment. An angular velocity detection device 1 according to the present embodiment includes a vibrator (sensor element) 100 and a signal processing IC (integrated circuit device) 2.

振動子100は、駆動電極と検出電極が配置された振動片が不図示のパッケージに封止されて構成されている。一般的に、振動片のインピーダンスをできるだけ小さくして発振効率を高めるためにパッケージ内の気密性が確保されている。   The vibrator 100 is configured by sealing a vibrating piece in which a drive electrode and a detection electrode are arranged in a package (not shown). Generally, hermeticity in the package is secured in order to reduce the impedance of the resonator element as much as possible to increase the oscillation efficiency.

本実施形態の振動子100は、Zカットの水晶基板により形成された振動片を有する。水晶を材料とする振動片は、温度変化に対する共振周波数の変動が極めて小さいので、角速度の検出精度を高めることができるという利点がある。ただし、振動子100の振動片の材料としては、水晶(SiO)だけでなく、例えば、タンタル酸リチウム(LiTaO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)等の圧電単結晶やジルコン酸チタン酸鉛(PZT)等の圧電セラミックスなどの圧電性材料を用いてもよいし、シリコン半導体を用いてもよい。例えば、シリコン半導体の表面の一部に、駆動電極に挟まれた酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)等の圧電薄膜を配置した構造であってもよい。 The vibrator 100 according to the present embodiment includes a resonator element formed of a Z-cut quartz substrate. The resonator element made of quartz is advantageous in that the detection accuracy of the angular velocity can be increased because the variation of the resonance frequency with respect to the temperature change is extremely small. However, the material of the resonator element of the vibrator 100 is not only quartz (SiO 2 ), but also, for example, a piezoelectric single crystal such as lithium tantalate (LiTaO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), or lead zirconate titanate. A piezoelectric material such as a piezoelectric ceramic such as (PZT) may be used, or a silicon semiconductor may be used. For example, a structure in which a piezoelectric thin film such as zinc oxide (ZnO) or aluminum nitride (AlN) sandwiched between drive electrodes is arranged on a part of the surface of a silicon semiconductor may be used.

本実施形態では、振動子100は、T型の2つの駆動振動腕を有するいわゆるダブルT型の振動片により構成される。ただし、振動子100の振動片は、ダブルT型に限定されず、例えば、音叉型やくし歯型であってもよいし、三角柱、四角柱、円柱状等の形状の音片型であってもよい。   In the present embodiment, the vibrator 100 is configured by a so-called double T-type vibrating piece having two T-type driving vibration arms. However, the resonator element of the vibrator 100 is not limited to the double T type, and may be, for example, a tuning fork type or a comb-teeth type, or a sound piece type having a shape such as a triangular prism, a quadrangular prism, or a cylindrical shape. Good.

図2は、本実施形態の振動子100の振動片の平面図である。図2におけるX軸、Y軸、Z軸は水晶の軸を示す。   FIG. 2 is a plan view of the resonator element of the vibrator 100 according to the present embodiment. The X-axis, Y-axis, and Z-axis in FIG. 2 indicate crystal axes.

図2に示すように、振動子100の振動片は、2つの駆動用基部104a、104bからそれぞれ駆動振動腕101a、101bが+Y軸方向及び−Y軸方向に延出している。ここで、駆動振動腕101a、101bの延出方向は、Y軸からのずれが±5°以内であればよい。駆動振動腕101aの側面及び上面にはそれぞれ駆動電極112及び113が形成されており、駆動振動腕101bの側面及び上面にはそれぞれ駆動電極113及び112が形成されている。駆動電極112、113は、それぞれ、図1に示した信号処理IC2の外部出力端子81、外部入力端子82を介して駆動回路20に接続される。   As shown in FIG. 2, in the vibrating piece of the vibrator 100, the driving vibrating arms 101a and 101b extend from the two driving bases 104a and 104b in the + Y axis direction and the −Y axis direction, respectively. Here, the extending directions of the drive vibrating arms 101a and 101b may be within a range of ± 5 ° from the Y axis. Drive electrodes 112 and 113 are formed on the side surface and the upper surface of the drive vibration arm 101a, respectively, and drive electrodes 113 and 112 are formed on the side surface and the upper surface of the drive vibration arm 101b, respectively. The drive electrodes 112 and 113 are connected to the drive circuit 20 via the external output terminal 81 and the external input terminal 82 of the signal processing IC 2 shown in FIG.

駆動用基部104a、104bは、それぞれ−X軸方向と+X軸方向に延びる連結腕105a、105bを介して矩形状の検出用基部107に接続されている。ここで、連結腕105a、105bの延出方向は、X軸からのずれが±5°以内であればよい。   The drive bases 104a and 104b are connected to a rectangular detection base 107 via connecting arms 105a and 105b extending in the −X axis direction and the + X axis direction, respectively. Here, the extending directions of the connecting arms 105a and 105b may be within a range of ± 5 ° from the X axis.

検出振動腕102は、検出用基部107から+Y軸方向及び−Y軸方向に延出している。ここで、検出振動腕102の延出方向は、Y軸からのずれが±5°以内であればよい。検出振動腕102の上面には検出電極114及び115が形成されており、検出振動腕102の側面には共通電極116が形成されている。検出電極114、115は、それぞれ、図1に示した信号処理IC2の外部入力端子83、84を介して検出回路30に接続される。また、共通電極116は接地される。   The detection vibrating arm 102 extends from the detection base 107 in the + Y axis direction and the −Y axis direction. Here, the extending direction of the detection vibrating arm 102 only needs to be within ± 5 ° from the Y axis. Detection electrodes 114 and 115 are formed on the upper surface of the detection vibrating arm 102, and a common electrode 116 is formed on the side surface of the detection vibrating arm 102. The detection electrodes 114 and 115 are connected to the detection circuit 30 via the external input terminals 83 and 84 of the signal processing IC 2 shown in FIG. The common electrode 116 is grounded.

駆動振動腕101a、101bの駆動電極112と駆動電極113との間に駆動信号として交流電圧が与えられると、図3に示すように、駆動振動腕101a、101bは逆圧電効果によって矢印Bのように、2本の駆動振動腕101a、101bの先端が互いに接近と離間を繰り返す屈曲振動(励振振動)をする。   When an AC voltage is applied as a drive signal between the drive electrode 112 and the drive electrode 113 of the drive vibration arms 101a and 101b, the drive vibration arms 101a and 101b are as shown by an arrow B due to the inverse piezoelectric effect as shown in FIG. In addition, bending vibration (excitation vibration) in which the tips of the two drive vibration arms 101a and 101b repeat approach and separation from each other is performed.

この状態で、振動子100の振動片にZ軸を回転軸とした角速度が加わると、駆動振動腕101a、101bは、矢印Bの屈曲振動の方向とZ軸の両方に垂直な方向にコリオリの力を得る。その結果、図4に示すように、連結腕105a、105bは矢印Cで示すような振動をする。そして、検出振動腕102は、連結腕105a、105bの振動(矢印C)に連動して矢印Dのように屈曲振動をする。このコリオリ力に伴う検出振動腕102の屈曲振動と駆動振動腕101a、101bの屈曲振動(励振振動)とは位相が90°ずれている。   In this state, when an angular velocity with the Z axis as the rotation axis is applied to the resonator element of the vibrator 100, the driving vibration arms 101a and 101b are coriolis in a direction perpendicular to both the direction of the bending vibration of the arrow B and the Z axis. Gain power. As a result, the connecting arms 105a and 105b vibrate as indicated by an arrow C as shown in FIG. The detection vibrating arm 102 bends and vibrates as indicated by an arrow D in conjunction with the vibrations of the connecting arms 105a and 105b (arrow C). The phase of the bending vibration of the detection vibrating arm 102 and the bending vibration (excitation vibration) of the driving vibrating arms 101a and 101b due to the Coriolis force is shifted by 90 °.

ところで、駆動振動腕101a、101bが屈曲振動(励振振動)をするときの振動エネルギーの大きさ又は振動の振幅の大きさが2本の駆動振動腕101a、101bで等しければ、駆動振動腕101a、101bの振動エネルギーのバランスがとれており、振動子100に角速度がかかっていない状態では検出振動腕102は屈曲振動しない。ところが、2つの駆動振動腕101a、101bの振動エネルギーのバランスがくずれると、振動子100に角速度がかかっていない状態でも検出振動腕102に屈曲振動が発生する。この屈曲振動は漏れ振動と呼ばれ、コリオリ力に基づく振動と同様に矢印Dの屈曲振動であるが、駆動信号とは同位相である。   By the way, if the magnitude of the vibration energy or the magnitude of the vibration when the driving vibration arms 101a and 101b perform bending vibration (excitation vibration) is the same between the two driving vibration arms 101a and 101b, the driving vibration arms 101a and 101b, When the vibration energy of 101b is balanced and no angular velocity is applied to the vibrator 100, the detection vibrating arm 102 does not flex and vibrate. However, when the vibration energy balance between the two drive vibrating arms 101 a and 101 b is lost, bending vibration is generated in the detection vibrating arm 102 even when the angular velocity is not applied to the vibrator 100. This bending vibration is called leakage vibration, and is bending vibration indicated by an arrow D like the vibration based on the Coriolis force, but is in phase with the drive signal.

そして、圧電効果によってこれらの屈曲振動に基づいた交流電荷が、検出振動腕102の検出電極114、115に発生する。ここで、コリオリ力に基づいて発生する交流電荷は、コリオリ力の大きさ(言い換えれば、振動子100に加わる角速度の大きさ)に応じて変化する。一方、漏れ振動に基づいて発生する交流電荷は、振動子100に加わる角速度の大きさに関係せず一定である。   Then, AC charges based on these bending vibrations are generated in the detection electrodes 114 and 115 of the detection vibration arm 102 by the piezoelectric effect. Here, the AC charge generated based on the Coriolis force changes according to the magnitude of the Coriolis force (in other words, the magnitude of the angular velocity applied to the vibrator 100). On the other hand, the AC charge generated based on the leakage vibration is constant regardless of the magnitude of the angular velocity applied to the vibrator 100.

なお、駆動振動腕101a、101bの先端には、駆動振動腕101a、101bよりも幅の広い矩形状の錘部103が形成されている。駆動振動腕101a、101bの先端に錘部103を形成することにより、コリオリ力を大きくするとともに、所望の共振周波数を比較的短い振動腕で得ることができる。同様に、検出振動腕102の先端には、検出振動腕102よりも幅の広い錘部106が形成されている。検出振動腕102の先端に錘部106を形成することにより、検出電極114、115に発生する交流電荷を大きくすることができる。   A rectangular weight portion 103 having a width wider than that of the drive vibrating arms 101a and 101b is formed at the ends of the drive vibrating arms 101a and 101b. By forming the weight portion 103 at the tips of the drive vibrating arms 101a and 101b, the Coriolis force can be increased and a desired resonance frequency can be obtained with a relatively short vibrating arm. Similarly, a weight portion 106 wider than the detection vibrating arm 102 is formed at the tip of the detection vibrating arm 102. By forming the weight portion 106 at the tip of the detection vibrating arm 102, the AC charge generated in the detection electrodes 114 and 115 can be increased.

以上のようにして、振動子100は、Z軸を検出軸としてコリオリ力に基づく交流電荷(角速度成分)と、励振振動の漏れ振動に基づく交流電荷(振動漏れ成分)とを検出電極114、115を介して出力する。   As described above, the vibrator 100 detects the AC charge (angular velocity component) based on the Coriolis force with the Z axis as the detection axis and the AC charge (vibration leakage component) based on the leakage vibration of the excitation vibration. Output via.

図1に戻り、本実施形態の信号処理IC2は、電源回路6、基準電圧回路10、駆動回路20、検出回路30、シリアルインターフェース回路40、不揮発性メモリー50、調整回路60、レベル判定回路70を含んで構成されている。なお、本実施形態の信号処理IC2は、これらの一部の構成(要素)を省略したり、新たな構成(要素)を追加した構成としてもよい。   Returning to FIG. 1, the signal processing IC 2 of this embodiment includes a power supply circuit 6, a reference voltage circuit 10, a drive circuit 20, a detection circuit 30, a serial interface circuit 40, a nonvolatile memory 50, an adjustment circuit 60, and a level determination circuit 70. It is configured to include. Note that the signal processing IC 2 of this embodiment may have a configuration in which some of these configurations (elements) are omitted or a new configuration (element) is added.

電源回路6は、外部入力端子86,87からそれぞれ電源電圧VDD(例えば3V)とグランド電圧VSS(0V)が供給され、信号処理IC2の内部の電源電圧を生成する。   The power supply circuit 6 is supplied with a power supply voltage VDD (for example, 3V) and a ground voltage VSS (0V) from the external input terminals 86 and 87, respectively, and generates a power supply voltage inside the signal processing IC2.

基準電圧回路10は、電源回路6を介して供給される電源電圧から基準電圧12(例えば1/2VDD)を生成する。   The reference voltage circuit 10 generates a reference voltage 12 (for example, ½ VDD) from the power supply voltage supplied via the power supply circuit 6.

駆動回路20は、振動子100を励振振動させるための駆動信号22を生成し、外部出力端子81を介して振動子100の駆動電極112に供給する。また、駆動回路20は、振動子100の励振振動により駆動電極113に発生する発振電流24が外部入力端子82を介して入力され、この発振電流24の振幅が一定に保持されるように駆動信号22の振幅レベルをフィードバック制御する。また、駆動回路20は、検出回路30に含まれる同期検波回路の参照信号26とスイッチトキャパシタフィルター(SCF)回路のクロック信号28を生成する。   The drive circuit 20 generates a drive signal 22 for exciting and vibrating the vibrator 100 and supplies the drive signal 22 to the drive electrode 112 of the vibrator 100 via the external output terminal 81. Further, the drive circuit 20 receives the oscillation current 24 generated in the drive electrode 113 by the excitation vibration of the vibrator 100 via the external input terminal 82, and the drive signal so that the amplitude of the oscillation current 24 is kept constant. The amplitude level of 22 is feedback controlled. Further, the drive circuit 20 generates a reference signal 26 of the synchronous detection circuit included in the detection circuit 30 and a clock signal 28 of the switched capacitor filter (SCF) circuit.

検出回路30は、外部入力端子83,84を介して、振動子100の検出電極114、115に発生する交流電荷(検出電流)32,34がそれぞれ入力され、これらの交流電荷(検出電流)に含まれる角速度成分のみを検出し、角速度の大きさに応じた電圧レベルの信号(角速度信号)36を生成し、外部出力端子88を介して外部に出力する。この角速度信号36は、例えば、外部出力端子88に接続された不図示のマイクロコンピューターにおいてA/D変換され、角速度データとして種々の処理に用いられる。なお、本実施形態の信号処理IC2にA/D変換器を内蔵し、角速度を表すデジタルデータを、例えばシリアルインターフェース回路40を介して外部に出力するようにしてもよい。   The detection circuit 30 receives AC charges (detection currents) 32 and 34 generated at the detection electrodes 114 and 115 of the vibrator 100 via the external input terminals 83 and 84, respectively. Only the included angular velocity component is detected, a voltage level signal (angular velocity signal) 36 corresponding to the magnitude of the angular velocity is generated, and output to the outside via the external output terminal 88. The angular velocity signal 36 is A / D converted by a microcomputer (not shown) connected to the external output terminal 88, and used as various angular velocity data. Note that the signal processing IC 2 of this embodiment may include an A / D converter and output digital data representing the angular velocity to the outside via the serial interface circuit 40, for example.

このように、駆動回路20と検出回路30は、振動子100に対する信号処理を行う信号処理回路4として機能する。   Thus, the drive circuit 20 and the detection circuit 30 function as the signal processing circuit 4 that performs signal processing on the vibrator 100.

調整回路60は、レベル判定回路70出力するレベル判定信号72に応じて調整データ52と調整データ42のいずれかを選択し、信号処理回路4(駆動回路20,検出回路30)に対するアナログ調整電圧62(オフセット補償電圧や温度補償電圧など)を生成する。調整回路60は、例えば、D/A変換器などである。   The adjustment circuit 60 selects either the adjustment data 52 or the adjustment data 42 according to the level determination signal 72 output from the level determination circuit 70, and the analog adjustment voltage 62 for the signal processing circuit 4 (drive circuit 20, detection circuit 30). (Offset compensation voltage, temperature compensation voltage, etc.) are generated. The adjustment circuit 60 is, for example, a D / A converter.

不揮発性メモリー50は、信号処理回路4(駆動回路20,検出回路30)に対する各種の調整データ52を保持し、例えば、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)として構成することができる。   The nonvolatile memory 50 holds various adjustment data 52 for the signal processing circuit 4 (the drive circuit 20 and the detection circuit 30), and can be configured as, for example, an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory).

シリアルインターフェース回路40は、外部入力端子89と外部入出力端子90を介して、クロック信号46とシリアルデータ信号48による2線論理で不揮発性メモリー50に対する調整データ52の書き込みや読み出しの処理、内部レジスター(不図示)に対する調整データ42やモード設定データ44の書き込みや読み出しの処理を行う。   The serial interface circuit 40 has a two-line logic based on the clock signal 46 and the serial data signal 48 via the external input terminal 89 and the external input / output terminal 90 to write / read the adjustment data 52 to / from the nonvolatile memory 50, Processing for writing and reading adjustment data 42 and mode setting data 44 (not shown) is performed.

図5は、シリアルインターフェース回路40の構成例を示す図である。シリアルインターフェース回路40は、データ書き込み時は、外部入力端子89から入力されるクロック信号46に同期して、外部入出力端子90から入力されるシリアルデータ信号48をシフトレジスター400に取り込んでパラレルデータに変換し、リード/ライト制御回路410の制御のもと、不揮発性メモリー50又は内部レジスター群420に含まれるいずれかのレジスター(調整レジスター422やモード設定レジスター424など)に書き込む。一方、データ読み出し時は、リード/ライト制御回路410の制御のもと、不揮発性メモリー50に記憶されているデータ又は内部レジスター群420に含まれるいずれかのレジスターに記憶されているデータをシフトレジスター400にパラレルロードし、外部入力端子89から入力されるクロック信号46に同期してシフトレジスター400のデータをシフトさせて外部入出力端子90からシリアルデータ信号48を出力する。   FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of the serial interface circuit 40. When data is written, the serial interface circuit 40 takes the serial data signal 48 input from the external input / output terminal 90 into the shift register 400 in synchronization with the clock signal 46 input from the external input terminal 89 and converts it into parallel data. Under the control of the read / write control circuit 410, the data is converted and written to any register (such as the adjustment register 422 or the mode setting register 424) included in the nonvolatile memory 50 or the internal register group 420. On the other hand, at the time of data reading, under the control of the read / write control circuit 410, the data stored in the nonvolatile memory 50 or the data stored in any of the registers included in the internal register group 420 is transferred to the shift register. 400 is parallel loaded, the data of the shift register 400 is shifted in synchronization with the clock signal 46 input from the external input terminal 89, and the serial data signal 48 is output from the external input / output terminal 90.

不揮発性メモリー50にデータを書き込むには、メモリー素子に保持されているデータを反転させるのに十分なエネルギーを供給する必要がある。そのため、図1に示すように、不揮発性メモリー50には、データ書き込み時は外部入力端子85を介して高い電源電圧VPP(例えば15V以上)が供給される。   In order to write data to the nonvolatile memory 50, it is necessary to supply energy sufficient to invert the data held in the memory element. Therefore, as shown in FIG. 1, a high power supply voltage VPP (for example, 15 V or more) is supplied to the nonvolatile memory 50 via the external input terminal 85 when data is written.

本実施形態では、不揮発性メモリー50へのデータの書き込みは、角速度検出装置1の組み立て、検査、評価、解析等の場合に限って行われ、市場で使用される際には不揮発性メモリー50へのデータの書き込みは禁止される。そのため、角速度検出装置1を市場で使用する際は外部入力端子85をオープンに設定する。これにより、外部入力端子85の電圧VPPは、プルアップ抵抗92を介してVDDにほぼ等しくなり、誤書き込みを防止することができる。   In the present embodiment, data is written into the nonvolatile memory 50 only when the angular velocity detection device 1 is assembled, inspected, evaluated, analyzed, etc., and is used in the nonvolatile memory 50 when used in the market. The writing of data is prohibited. Therefore, when the angular velocity detection device 1 is used in the market, the external input terminal 85 is set to open. Thereby, the voltage VPP of the external input terminal 85 becomes substantially equal to VDD through the pull-up resistor 92, and erroneous writing can be prevented.

調整データ52は、例えば、角速度検出装置1の組み立て後の最終検査時等に不揮発性メモリー50に書き込まれる。具体的には、シリアルインターフェース回路40の内部レジスター群に含まれる調整レジスター422に調整値を書き込み、調整レジスター422に書き込まれた調整値(調整データ42)を用いて、信号処理回路4(駆動回路20,検出回路30)の動作を確認する。この調整値を変更しながら、信号処理回路4(駆動回路20,検出回路30)が所望の動作をする最適な調整値を決定し、その最適な調整値を調整データ52として1回だけ不揮発性メモリー50に書き込む。こうすることで、検査時間を短縮することができるとともに、データ書き込みの際の高電源電圧の印加による信頼性の低下を最小限に抑えることができる。   The adjustment data 52 is written in the non-volatile memory 50, for example, at the time of final inspection after assembly of the angular velocity detection device 1. Specifically, the adjustment value is written in the adjustment register 422 included in the internal register group of the serial interface circuit 40, and the signal processing circuit 4 (drive circuit) is used by using the adjustment value (adjustment data 42) written in the adjustment register 422. 20, the operation of the detection circuit 30) is confirmed. While changing the adjustment value, the signal processing circuit 4 (the drive circuit 20 and the detection circuit 30) determines an optimum adjustment value for performing a desired operation, and the optimum adjustment value is non-volatile once as the adjustment data 52. Write to memory 50. In this way, the inspection time can be shortened, and a decrease in reliability due to application of a high power supply voltage during data writing can be minimized.

このような調整方法を実現するためには、調整回路60が不揮発性メモリー50と調整レジスター422のいずれの調整データを用いるかを選択できるようにする必要がある。そこで、本実施形態では、レベル判定回路70がVPPの電圧レベルを判定し、VPPがVDDより高い所定の電圧値V1(例えば8V)以上又はVDDより低い所定の電圧値V2(例えば1/2VDD)以下の電圧値であるか、VPPがV2より高くV1より低い電圧値であるかを示すレベル判定信号72を生成する。そして、調整回路60は、レベル判定信号72に応じて、VPP≧V1又はVPP≦V2の時は内部レジスターの調整データ42を選択し、V2<VPP<V1の時は不揮発性メモリー50の調整データ52を選択する。   In order to realize such an adjustment method, it is necessary for the adjustment circuit 60 to be able to select which adjustment data of the nonvolatile memory 50 or the adjustment register 422 is used. Therefore, in this embodiment, the level determination circuit 70 determines the voltage level of VPP, and VPP is a predetermined voltage value V1 (for example, 8V) higher than VDD or a predetermined voltage value V2 (for example, 1/2 VDD) that is lower than VDD. A level determination signal 72 indicating whether the voltage value is the following voltage value or the voltage value VPP is higher than V2 and lower than V1 is generated. The adjustment circuit 60 selects the adjustment data 42 in the internal register when VPP ≧ V1 or VPP ≦ V2 according to the level determination signal 72, and the adjustment data in the nonvolatile memory 50 when V2 <VPP <V1. 52 is selected.

前述したように、角速度検出装置1を市場で使用する際は、外部入力端子85がオープンに設定されるので、プルアップ抵抗92によりVPPはVDDとほぼ等しくなり、調整回路60により必ず調整データ52が選択される。一方、角速度検出装置1の組み立て、検査、評価、解析時等には、外部入力端子85にV1以上の電圧又はV2以下の電圧(例えば0V)を印加することで、調整回路60に調整データ42を選択させることもできる。   As described above, when the angular velocity detection device 1 is used in the market, the external input terminal 85 is set to be open, so that the VPP becomes substantially equal to VDD by the pull-up resistor 92, and the adjustment data 52 is always supplied by the adjustment circuit 60. Is selected. On the other hand, when the angular velocity detection device 1 is assembled, inspected, evaluated, analyzed, etc., the adjustment data 42 is supplied to the adjustment circuit 60 by applying a voltage of V1 or higher or a voltage of V2 or lower (for example, 0 V) to the external input terminal 85. Can also be selected.

また、本実施形態では、モード設定レジスター424の設定値を書き換えることで、市場で使用される通常の動作モード(モード1)か角速度検出装置1の組み立て、検査、評価、解析等に使用される動作モード(モード2)のいずれかを選択することができるようになっている。例えば、5ビットのモード設定レジスター424の設定値が「00000」であればモード1、「00001」〜「11111」のいずれかであればモード2となる。また、モード2は、「00001」〜「11111」の各々の設定値によって細分化され、信号処理回路4(駆動回路20,検出回路30)に対して、設定値に応じてモニターするノードを選択したり、接続関係を変更したりすることができる。   In the present embodiment, the setting value of the mode setting register 424 is rewritten to use the normal operation mode (mode 1) used in the market or the assembly, inspection, evaluation, analysis, etc. of the angular velocity detection device 1. One of the operation modes (mode 2) can be selected. For example, if the set value of the 5-bit mode setting register 424 is “00000”, the mode 1 is selected, and if any of “00001” to “11111” is set, the mode 2 is selected. Mode 2 is subdivided according to each set value of “00001” to “11111”, and a node to be monitored is selected according to the set value for the signal processing circuit 4 (drive circuit 20, detection circuit 30). Or change the connection relationship.

本実施形態では、市場では信頼性を確保するためモード1のみ可能でモード2への書き換えが禁止され、角速度検出装置1の組み立て、検査、評価、解析等の場合のみモード1又はモード2に設定可能にする。これを実現するために、VPP≧V1又はVPP≦V2の場合のみモード設定レジスター424の設定値の書き換えを有効にし、それ以外の場合は無効にする。そこで、本実施形態では、モード設定レジスター424の非同期リセット端子にレベル判定信号72を供給する。これにより、VPP≧V1又はVPP≦V2の時はモード設定レジスター424の設定値は「00000」にリセットされてモード1になるとともに書き換えが無効になり、V2<VPP<V1の時はモード設定レジスター424の設定値の書き換えが有効になる。   In this embodiment, in order to ensure reliability in the market, only mode 1 is possible, and rewriting to mode 2 is prohibited, and mode 1 or mode 2 is set only when the angular velocity detection device 1 is assembled, inspected, evaluated, or analyzed. to enable. In order to realize this, rewriting of the setting value of the mode setting register 424 is enabled only when VPP ≧ V1 or VPP ≦ V2, and is disabled otherwise. Therefore, in this embodiment, the level determination signal 72 is supplied to the asynchronous reset terminal of the mode setting register 424. As a result, when VPP ≧ V1 or VPP ≦ V2, the setting value of the mode setting register 424 is reset to “00000” to become mode 1 and rewriting becomes invalid, and when V2 <VPP <V1, the mode setting register The rewriting of the set value of 424 becomes effective.

本実施形態では、特に、VPP≧V1の場合だけでなくVPP≦V2の場合にも、調整回路60により調整データ42が選択されるとともに、モード設定レジスター424の設定値の書き換えを有効にすることで、高い電圧を発生する電源装置が無いような環境でも角速度検出装置1の評価や解析が可能となるという利点がある。   In the present embodiment, in particular, not only when VPP ≧ V1 but also when VPP ≦ V2, the adjustment data 42 is selected by the adjustment circuit 60 and the rewriting of the setting value of the mode setting register 424 is enabled. Thus, there is an advantage that the angular velocity detection device 1 can be evaluated and analyzed even in an environment where there is no power supply device that generates a high voltage.

次に、駆動回路20について説明する。図6は、駆動回路20の構成例を示す図である。図6に示すように、本実施形態の駆動回路20は、I/V変換回路(電流電圧変換回路)200、ハイパスフィルター(HPF)210、コンパレーター212、コンデンサー214,216、スイッチ218、RCフィルター220、アンプ230、全波整流回路240、減算器250、積分器252、プルアップ抵抗254、コンパレーター260、バッファ回路262、発振検出回路270、起動発振回路280、スイッチ282、インバーター回路(反転論理回路)290を含んで構成されている。なお、本実施形態の駆動回路20は、これらの一部の構成(要素)を省略したり、新たな構成(要素)を追加した構成としてもよい。   Next, the drive circuit 20 will be described. FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of the drive circuit 20. As shown in FIG. 6, the drive circuit 20 of this embodiment includes an I / V conversion circuit (current / voltage conversion circuit) 200, a high-pass filter (HPF) 210, a comparator 212, capacitors 214 and 216, a switch 218, and an RC filter. 220, amplifier 230, full-wave rectifier circuit 240, subtractor 250, integrator 252, pull-up resistor 254, comparator 260, buffer circuit 262, oscillation detection circuit 270, start-up oscillation circuit 280, switch 282, inverter circuit (inverted logic) Circuit) 290. Note that the drive circuit 20 of this embodiment may have a configuration in which some of these configurations (elements) are omitted or a new configuration (element) is added.

振動子100の振動片に流れた駆動電流は、I/V変換回路200によって交流電圧信号に変換される。本実施形態のI/V変換回路200は、オペアンプ202の反転入力端子(−入力端子)と出力端子の間に抵抗204が接続され、オペアンプ202の非反転入力端子(+入力端子)がアナロググランドに接続された構成である。このI/V変換回路200の出力電圧VIVは、振動子100の発振電流をi、抵抗204の抵抗値をRとすると、次式(1)で表される。 The drive current that has flowed through the resonator element of the vibrator 100 is converted into an AC voltage signal by the I / V conversion circuit 200. In the I / V conversion circuit 200 of this embodiment, a resistor 204 is connected between an inverting input terminal (−input terminal) and an output terminal of an operational amplifier 202, and a non-inverting input terminal (+ input terminal) of the operational amplifier 202 is an analog ground. It is the structure connected to. The output voltage V IV of the I / V conversion circuit 200 is expressed by the following equation (1), where i is the oscillation current of the vibrator 100 and R is the resistance value of the resistor 204.

Figure 0005752441
Figure 0005752441

I/V変換回路200の出力信号は、ハイパスフィルター210でオフセットがキャンセルされてコンパレーター212に入力される。コンパレーター212は、入力信号の電圧を増幅して2値化信号(方形波電圧信号)を出力する。ただし、本実施形態では、コンパレーター212は、ローレベルのみ出力可能なオープンドレイン出力のコンパレーターであり、ハイレベルはプルアップ抵抗254を介して積分器252の出力電圧にプルアップされる。そして、コンパレーター212が出力する2値化信号は、駆動信号22として、外部出力端子81を介して振動子100の振動片の駆動電極112に供給される。この駆動信号22の周波数(駆動周波数f)を振動子100の共振周波数と一致させることで、振動子100を安定発振させることができる。 The output signal of the I / V conversion circuit 200 is input to the comparator 212 after the offset is canceled by the high pass filter 210. The comparator 212 amplifies the voltage of the input signal and outputs a binarized signal (square wave voltage signal). However, in this embodiment, the comparator 212 is an open drain output comparator that can output only a low level, and the high level is pulled up to the output voltage of the integrator 252 via the pull-up resistor 254. The binarized signal output from the comparator 212 is supplied as the drive signal 22 to the drive electrode 112 of the resonator element of the vibrator 100 via the external output terminal 81. By making the frequency of the drive signal 22 (drive frequency f d ) coincide with the resonance frequency of the vibrator 100, the vibrator 100 can be stably oscillated.

さらに、本実施形態では、振動子100の発振電流が一定になるように、すなわち、I/V変換回路200の出力電圧のレベルが一定になるように駆動信号22の振幅が調整される。こうすることで、振動子100を極めて安定に発振させることができ、角速度の検出精度を向上させることができる。   Further, in the present embodiment, the amplitude of the drive signal 22 is adjusted so that the oscillation current of the vibrator 100 is constant, that is, the level of the output voltage of the I / V conversion circuit 200 is constant. By doing so, the vibrator 100 can be oscillated extremely stably, and the angular velocity detection accuracy can be improved.

ところが、I/V変換回路200に含まれる抵抗204の抵抗値Rは、製造ばらつきのため、IC毎に設計値に対して±20%程度のばらつきが生じるため、振動子100の発振電流からI/V変換回路200の出力電圧への変換率がIC毎にばらつくことになる。従って、I/V変換回路200の出力電圧が一定の設計値になるように駆動信号22の振幅を調整すると、振動子100の発振電流がIC毎に異なることになる。その結果、設計値に対する発振電流のずれが大きいICほど角速度の検出精度や検出感度を劣化させる要因となり得る。   However, the resistance value R of the resistor 204 included in the I / V conversion circuit 200 varies about ± 20% with respect to the design value for each IC due to manufacturing variations. The conversion rate to the output voltage of the / V conversion circuit 200 varies from IC to IC. Therefore, when the amplitude of the drive signal 22 is adjusted so that the output voltage of the I / V conversion circuit 200 becomes a constant design value, the oscillation current of the vibrator 100 differs for each IC. As a result, an IC with a larger deviation of the oscillation current from the design value can be a factor that degrades the angular velocity detection accuracy and detection sensitivity.

また、抵抗204の抵抗値の温度特性がフラットではないので、振動子100の発振電流が一定であっても、I/V変換回路200の出力電圧は、抵抗204の影響を受けて変動してしまう。その結果、振動子100の発振電流が温度に応じて変動することになり、角速度の検出精度や検出感度を劣化させる要因となり得る。同様に、後述する検出回路30に含まれるチャージアンプ300,310の構成要素であるコンデンサー304,314の容量値の製造ばらつきや温度変動も角速度の検出精度や検出感度を劣化させる要因となり得る。   Further, since the temperature characteristic of the resistance value of the resistor 204 is not flat, the output voltage of the I / V conversion circuit 200 fluctuates due to the influence of the resistor 204 even if the oscillation current of the vibrator 100 is constant. End up. As a result, the oscillating current of the vibrator 100 fluctuates according to the temperature, which can be a factor that degrades the angular velocity detection accuracy and detection sensitivity. Similarly, manufacturing variations and temperature fluctuations in capacitance values of capacitors 304 and 314 that are components of charge amplifiers 300 and 310 included in the detection circuit 30 described later can also be a factor that degrades angular velocity detection accuracy and detection sensitivity.

そこで、本実施形態では、抵抗204の抵抗値やコンデンサー304,314の容量値のばらつきや温度変動分をキャンセルし、角速度の検出精度や検出感度の劣化を抑制する目的でRCフィルター220を設け、I/V変換回路200の出力信号をRCフィルター220を通過させる。RCフィルター220を設けることで、角速度の検出精度や検出感度の劣化を抑制できる理由については、検出回路30の説明において後述する。   Therefore, in the present embodiment, the RC filter 220 is provided for the purpose of canceling the variation of the resistance value of the resistor 204 and the capacitance value of the capacitors 304 and 314 and the temperature fluctuation, and suppressing the deterioration of the detection accuracy and detection sensitivity of the angular velocity, The output signal of the I / V conversion circuit 200 is passed through the RC filter 220. The reason why the deterioration of the detection accuracy and detection sensitivity of the angular velocity can be suppressed by providing the RC filter 220 will be described later in the description of the detection circuit 30.

RCフィルター220は、抵抗222とコンデンサー224を含み、1次のローパスフィルターとして機能する。すなわち、抵抗222の抵抗値をR、コンデンサー224の容量値をCとすると、RCフィルター220の伝達関数は、次式(2)で表される。 The RC filter 220 includes a resistor 222 and a capacitor 224, and functions as a primary low-pass filter. That is, assuming that the resistance value of the resistor 222 is R 1 and the capacitance value of the capacitor 224 is C 1 , the transfer function of the RC filter 220 is expressed by the following equation (2).

Figure 0005752441
Figure 0005752441

式(2)より、RCフィルター220の電圧利得の周波数特性は次式(3)で表される。   From the equation (2), the frequency characteristic of the voltage gain of the RC filter 220 is expressed by the following equation (3).

Figure 0005752441
Figure 0005752441

本実施形態では、振動子100の発振角周波数ω(=2πf)に対して(ω・C・R≫1となるようにRとCを選択する。この場合、RCフィルター220の出力電圧VRCは、式(1)と式(3)より、次式(4)のように表される。 In the present embodiment, R 1 and C 1 are selected so that (ω d · C 1 · R 1 ) 2 >> 1 with respect to the oscillation angular frequency ω d (= 2πf d ) of the vibrator 100. In this case, the output voltage V RC of the RC filter 220 is expressed by the following equation (4) from the equations (1) and (3).

Figure 0005752441
Figure 0005752441

また、式(2)より、RCフィルター220の位相の周波数特性は次式(5)で表される。   Further, from the equation (2), the frequency characteristic of the phase of the RC filter 220 is expressed by the following equation (5).

Figure 0005752441
Figure 0005752441

従って、式(5)より、I/V変換回路200の出力信号(角周波数:ω)は、RCフィルター220を通過することで、θ=arctan(ω・C・R)だけ位相が遅れる。つまり、RCフィルター220は、位相シフト回路としても機能する。例えば、ω=2π×50kHz(f=50kHz)、C・R=1/(2π×5kHz)とすると、θ≒84°となる。 Therefore, according to the equation (5), the output signal (angular frequency: ω d ) of the I / V conversion circuit 200 passes through the RC filter 220, so that the phase is θ = arctan (ω d · C 1 · R 1 ). Is delayed. That is, the RC filter 220 also functions as a phase shift circuit. For example, if ω d = 2π × 50 kHz (f d = 50 kHz) and C 1 · R 1 = 1 / (2π × 5 kHz), then θ≈84 °.

ただし、式(4)より、I/V変換回路200の出力信号(角周波数:ω)は、RCフィルター220を通過することで、振幅が約1/(ω・C・R)倍に減衰する。例えば、ω=2π×50kHz(f=50kHz)、C・R=1/(2π×5kHz)とすると、RCフィルター220の出力信号の振幅は、I/V変換回路200の出力信号の振幅の約1/10になる。そこで、本実施形態では、RCフィルター220の後段の回路での信号処理を容易にするために、RCフィルター220の出力信号を増幅する電圧補正用のアンプ230(例えば、入力信号をω・C・R倍に増幅するアンプ)が付加されている。ただし、RCフィルター220の後段の回路が、RCフィルター220の出力信号に対して直接的に信号処理が可能であれば、アンプ230を付加しなくてもよい。 However, from the equation (4), the output signal (angular frequency: ω d ) of the I / V conversion circuit 200 passes through the RC filter 220, so that the amplitude is about 1 / (ω d · C 1 · R 1 ). Attenuates twice. For example, when ω d = 2π × 50 kHz (f d = 50 kHz) and C 1 · R 1 = 1 / (2π × 5 kHz), the amplitude of the output signal of the RC filter 220 is the output signal of the I / V conversion circuit 200. Is about 1/10 of the amplitude of. Therefore, in the present embodiment, in order to facilitate signal processing in a circuit subsequent to the RC filter 220, a voltage correction amplifier 230 that amplifies the output signal of the RC filter 220 (for example, the input signal is represented by ω d · C An amplifier that amplifies 1 · R 1 time) is added. However, the amplifier 230 may not be added if a circuit subsequent to the RC filter 220 can directly process the output signal of the RC filter 220.

アンプ230の出力信号は、全波整流回路240に入力されて全波整流される。   The output signal of the amplifier 230 is input to the full-wave rectifier circuit 240 and full-wave rectified.

全波整流回路240の出力信号(全波整流信号242)は、減算器250に入力されて基準電圧12との電圧減算処理がされた後、積分器252で積分される。この積分器252の出力電圧は、I/V変換回路200の出力信号の振幅が大きいほど低くなる。そして、駆動信号22のハイレベルはプルアップ抵抗254を介して積分器252の出力電圧にプルアップされるので、駆動信号22の振幅VDRは、RCフィルター220の出力電圧VRCと反比例の関係になり、式(4)より、適当な係数Aを用いて次式(6)で表される。 The output signal (full-wave rectified signal 242) of the full-wave rectifier circuit 240 is input to the subtractor 250, subjected to voltage subtraction processing with the reference voltage 12, and then integrated by the integrator 252. The output voltage of the integrator 252 decreases as the amplitude of the output signal of the I / V conversion circuit 200 increases. Since the high level of the drive signal 22 is pulled up to the output voltage of the integrator 252 via the pull-up resistor 254, the amplitude V DR of the drive signal 22 is inversely proportional to the output voltage V RC of the RC filter 220. From Equation (4), it is expressed by the following Equation (6) using an appropriate coefficient A.

Figure 0005752441
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このような構成により、振動子100の発振電流24の振幅が一定に保持されるように駆動信号22の振幅レベルがフィードバック制御される。   With such a configuration, the amplitude level of the drive signal 22 is feedback-controlled so that the amplitude of the oscillation current 24 of the vibrator 100 is kept constant.

ただし、電源投入直後は振動子100の発振が停止しており、このようなフィードバック制御が速やかに行われるようになるためには、振動子100の発振を開始させ、発振動作が安定するまで補助する必要がある。そのため、本実施形態では、発振検出回路270、起動発振回路280及びスイッチ282が設けられている。   However, immediately after the power is turned on, the oscillation of the vibrator 100 is stopped, and in order for such feedback control to be performed promptly, the oscillation of the vibrator 100 is started and assistance is made until the oscillation operation is stabilized. There is a need to. Therefore, in the present embodiment, an oscillation detection circuit 270, a startup oscillation circuit 280, and a switch 282 are provided.

起動発振回路280は、振動子100の共振周波数に近い周波数で自励発振する発振回路であり、振動子100の発振動作を補助する。起動発振回路280は、例えば、CR発振回路などで実現することができる。   The start-up oscillation circuit 280 is an oscillation circuit that self-oscillates at a frequency close to the resonance frequency of the vibrator 100 and assists the oscillation operation of the vibrator 100. The startup oscillation circuit 280 can be realized by, for example, a CR oscillation circuit.

発振検出回路270は、全波整流回路240の出力信号(全波整流信号242)の電圧レベルを所定の閾値と比較し、全波整流信号242の電圧レベルが所定の閾値Vに達するまで(発振電流が所定値に達するまで)起動発振回路280の発振動作を継続させ、全波整流信号242の電圧レベルが閾値Vに達すれば(発振電流24が所定値に達すれば)起動発振回路280の発振動作を停止させる。また、発振検出回路270は、全波整流信号242の電圧レベルが閾値Vに達するまで(発振電流24が所定値に達するまで)はスイッチ282をオンし、全波整流信号242の電圧レベルが閾値Vに達すれば(発振電流が所定値に達すれば)スイッチ282をオフするためのスイッチ制御信号272を生成する。 Oscillation detection circuit 270, the voltage level of the output signal of the full-wave rectifier circuit 240 (full wave rectified signal 242) is compared with a predetermined threshold, to a voltage level of the full-wave rectified signal 242 reaches a predetermined threshold value V 1 ( The oscillation operation of the startup oscillation circuit 280 is continued until the oscillation current reaches a predetermined value. When the voltage level of the full-wave rectification signal 242 reaches the threshold value V 1 (when the oscillation current 24 reaches the predetermined value), the startup oscillation circuit 280 The oscillation operation of is stopped. The oscillation detection circuit 270 until the voltage level of the full-wave rectified signal 242 reaches the threshold V 1 (oscillation current 24 reaches a predetermined value) turns on the switch 282, the voltage level of the full-wave rectified signal 242 Once you reach the threshold value V 1 (oscillation current if reaches the predetermined value) generates a switch control signal 272 for turning off the switch 282.

図7に示すように、電源を投入するとVDDが0Vから電源電圧Vになるが、電源投入直後は振動子100の発振が停止しているので、全波整流信号242の電圧レベルは0Vである。そのため、起動発振回路280が発振動作を行うとともにスイッチ282がオンし、起動発振回路280の発振周波数成分がハイパスフィルター(HPF)210の出力信号に重畳される。この起動発振回路280の発振周波数成分が含まれる駆動信号22が振動子100に供給され、振動子100が発振を開始する。そして、振動子100の発振電流24が徐々に大きくなり、それにつれて全波整流信号242の電圧レベルも高くなって閾値Vを超えると、起動発振回路280の発振動作が停止するとともにスイッチ282がオフする。その後、全波整流信号242の電圧レベルが所望の電圧値Vに到達すると、全波整流信号242の電圧レベルがVに保持されるように(すなわち、振動子100の発振電流24の振幅が所望の値に保持されるように)駆動信号22の振幅レベルがフィードバック制御される。以下では、電源投入直後から全波整流信号242の電圧レベルが閾値Vに達するまでの時間を「発振待ち時間」と呼ぶことにする。 As shown in FIG. 7, when the power is turned on, VDD changes from 0 V to the power supply voltage V 0 , but the oscillation of the vibrator 100 stops immediately after the power is turned on, so the voltage level of the full-wave rectified signal 242 is 0 V. is there. Therefore, the startup oscillation circuit 280 performs an oscillation operation and the switch 282 is turned on, and the oscillation frequency component of the startup oscillation circuit 280 is superimposed on the output signal of the high-pass filter (HPF) 210. The drive signal 22 including the oscillation frequency component of the start-up oscillation circuit 280 is supplied to the vibrator 100, and the vibrator 100 starts to oscillate. Then, the oscillation current 24 of the vibrator 100 is gradually increased, when it as exceeds the threshold value V 1 becomes higher voltage level of the full-wave rectified signal 242, the switch 282 together with the oscillating operation is stopped in the start oscillator 280 Turn off. Thereafter, when the voltage level of the full-wave rectified signal 242 reaches a desired voltage value V 2 , the voltage level of the full-wave rectified signal 242 is held at V 2 (that is, the amplitude of the oscillation current 24 of the vibrator 100). The amplitude level of the drive signal 22 is feedback controlled (so that is held at a desired value). Hereinafter, the time from immediately after power-on until the voltage level of the full-wave rectified signal 242 reaches the threshold V 1 is referred to as "oscillation wait time".

ところで、振動子100が発振している状態では、コンパレーター212はハイパスフィルター210の出力信号を2値化した周波数fの矩形波信号を出力するが、この矩形波信号には、fの奇数次の周波数成分(3f,5f,7f,・・・)も含まれる。そのため、駆動信号22としてこの矩形波信号を振動子100にそのまま供給すると、3f,5f,7f,・・・のいずれかの周波数成分が振動子100の振動モードに一致して不要な振動成分が発生する可能性がある。この不要な振動成分により振動子100の安定発振が妨げられるとともに、検出回路30でこの不要な振動成分が検出されると、角速度の検出精度を劣化させることにもなる。 Incidentally, in the state in which the vibrator 100 is oscillating, the comparator 212 is outputting a rectangular wave signal of a frequency f d obtained by binarizing the output signal of the high pass filter 210, the rectangular wave signal, the f d Odd-order frequency components (3f d , 5f d , 7f d ,...) Are also included. Therefore, when this rectangular wave signal is supplied as it is to the vibrator 100 as the drive signal 22, any one of the frequency components 3f d , 5f d , 7f d ,... Coincides with the vibration mode of the vibrator 100 and is unnecessary. Vibration component may be generated. This unnecessary vibration component prevents stable oscillation of the vibrator 100, and if this unnecessary vibration component is detected by the detection circuit 30, the detection accuracy of the angular velocity is deteriorated.

そこで、本実施形態では、駆動信号22のエッジをなまらせてfの奇数次の周波数成分を小さくする目的で、駆動回路20の内部にコンデンサー214とコンデンサー216を設けている。コンデンサー214は、振動子100に駆動信号22を供給する信号線(第2の信号線)と振動子100から発振電流24が入力される信号線(第1の信号線)との間に接続されている。一方、コンデンサー216は、スイッチ218を介して第1の信号線と第2の信号線との間に接続されている。そして、このスイッチ28のオン/オフは、スイッチ切り替え信号272がインバーター回路290によって論理反転されたスイッチ制御信号292によって制御される。従って、スイッチ282がオンの時にスイッチ218がオフし、スイッチ282がオフの時にスイッチ218がオンする。 Therefore, in this embodiment, by rounding the edge of the drive signal 22 for the purpose of reducing the odd-order frequency components of f d, it is provided a capacitor 214 and a capacitor 216 to the inside of the drive circuit 20. The capacitor 214 is connected between a signal line (second signal line) that supplies the drive signal 22 to the vibrator 100 and a signal line (first signal line) to which the oscillation current 24 is input from the vibrator 100. ing. On the other hand, the capacitor 216 is connected between the first signal line and the second signal line via the switch 218. The on / off of the switch 28 is controlled by a switch control signal 292 obtained by logically inverting the switch switching signal 272 by the inverter circuit 290. Accordingly, the switch 218 is turned off when the switch 282 is on, and the switch 218 is turned on when the switch 282 is off.

要するに、図7に示すように、発振待ち時間が経過するまではスイッチ218がオフし、第1の信号線と第2の信号線の間にコンデンサー214のみが接続され、発振待ち時間の経過後はスイッチ218がオンし、第1の信号線と第2の信号線の間にコンデンサー214と216が並列に接続されるようになっている。例えば、コンデンサー214,216の容量をそれぞれC,Cとすると、第1の信号線と第2の信号線の間の容量は、発振待ち時間が経過するまではCであるのに対して、発振待ち時間の経過後はC+Cに増える。 In short, as shown in FIG. 7, the switch 218 is turned off until the oscillation waiting time elapses, and only the capacitor 214 is connected between the first signal line and the second signal line. The switch 218 is turned on, and capacitors 214 and 216 are connected in parallel between the first signal line and the second signal line. For example, if the capacitors 214 and 216 have capacitances C 1 and C 2 , respectively, the capacitance between the first signal line and the second signal line is C 1 until the oscillation waiting time elapses. Thus, after the oscillation waiting time elapses, it increases to C 1 + C 2 .

第2の信号線の負荷容量が大きいほど駆動信号22のエッジがなまって不要な振動成分が小さくなるので、振動子100の発振動作をより安定させることができる。一方、駆動信号22のエッジが急峻であるほど振動子100に効率的にパワーを供給することができるので、発振待ち時間を短縮することができる。そこで、本実施形態では、発振待ち時間の経過前後で、スイッチ218をオフからオンに切り替えることで、振動子100の発振待ち時間の短縮と安定発振の維持を両立させている。   As the load capacity of the second signal line is increased, the edge of the drive signal 22 becomes dull and unnecessary vibration components are reduced, so that the oscillation operation of the vibrator 100 can be further stabilized. On the other hand, as the edge of the drive signal 22 is steeper, power can be supplied more efficiently to the vibrator 100, so that the oscillation waiting time can be shortened. Therefore, in this embodiment, the switch 218 is switched from OFF to ON before and after the oscillation waiting time elapses, thereby reducing both the oscillation waiting time of the vibrator 100 and maintaining stable oscillation.

なお、第2の信号線の負荷容量を切り替えればよいので、第2の信号線とグランドとの間にコンデンサー214を接続するとともに、第2の信号線とグランドとの間にスイッチ218を介してコンデンサー216を接続するようにしてもよい。また、コンデンサー214を取り除き、コンデンサー216の容量をC+Cに増やしてもよい。 Since the load capacity of the second signal line may be switched, a capacitor 214 is connected between the second signal line and the ground, and a switch 218 is connected between the second signal line and the ground. A capacitor 216 may be connected. Further, the capacitor 214 may be removed, and the capacity of the capacitor 216 may be increased to C 1 + C 2 .

本実施形態の駆動回路20には、さらに、ハイパスフィルター210の出力信号を増幅して2値化信号(方形波電圧信号)を出力するコンパレーター260が設けられており、この2値化信号は、検出回路30に含まれる同期検波回路の参照信号26として用いられる。この参照信号26の周波数は駆動周波数fと等しい。なお、コンパレーター212の出力信号は、ハイレベルが変動するので、このハイレベルが同期検波回路における論理閾値を越えないようなことがあると不具合が生じるため参照信号として用いず、コンパレーター260を別個に設けている。 The drive circuit 20 of the present embodiment is further provided with a comparator 260 that amplifies the output signal of the high-pass filter 210 and outputs a binarized signal (square wave voltage signal). The reference signal 26 of the synchronous detection circuit included in the detection circuit 30 is used. Frequency of the reference signal 26 is equal to the drive frequency f d. Since the output signal of the comparator 212 fluctuates at a high level, if the high level does not exceed the logic threshold value in the synchronous detection circuit, a malfunction occurs. Therefore, the comparator 260 is not used as a reference signal. Separately provided.

また、コンパレーター260の出力信号は、バッファ回路262に入力され、バッファ回路262の出力信号を検出回路に含まれるSCF回路にクロック信号28(周波数:f)として供給される。 The output signal of the comparator 260 is input to the buffer circuit 262, and the output signal of the buffer circuit 262 is supplied to the SCF circuit included in the detection circuit as the clock signal 28 (frequency: f d ).

次に、検出回路30について説明する。図8は、検出回路30の構成例を示す図である。図8に示すように、本実施形態の検出回路30は、チャージアンプ300,310、差動アンプ320、ハイパスフィルター(HPF)322、アンプ324、同期検波回路326、可変ゲインアンプ328、スイッチトキャパシタフィルター(SCF)330、出力バッファ332を含んで構成されている。なお、本実施形態の検出回路30は、これらの一部の構成(要素)を省略したり、新たな構成(要素)を追加した構成としてもよい。   Next, the detection circuit 30 will be described. FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of the detection circuit 30. As shown in FIG. 8, the detection circuit 30 of this embodiment includes charge amplifiers 300 and 310, a differential amplifier 320, a high-pass filter (HPF) 322, an amplifier 324, a synchronous detection circuit 326, a variable gain amplifier 328, and a switched capacitor filter. (SCF) 330 and an output buffer 332 are included. Note that the detection circuit 30 of the present embodiment may have a configuration in which some of these configurations (elements) are omitted or a new configuration (element) is added.

チャージアンプ300には、外部入力端子83を介して振動子100の振動片の検出電極114から角速度成分と振動漏れ成分を含む交流電荷(検出電流)32が入力される。同様に、チャージアンプ310には、外部入力端子84を介して振動子100の振動片の検出電極115から角速度成分と振動漏れ成分を含む交流電荷(検出電流)34が入力される。   An AC charge (detection current) 32 including an angular velocity component and a vibration leakage component is input to the charge amplifier 300 from the detection electrode 114 of the vibration piece of the vibrator 100 via the external input terminal 83. Similarly, AC charge (detection current) 34 including an angular velocity component and a vibration leakage component is input to the charge amplifier 310 from the detection electrode 115 of the resonator element of the vibrator 100 via the external input terminal 84.

本実施形態のチャージアンプ300は、オペアンプ302の反転入力端子(−入力端子)と出力端子の間にコンデンサー304が接続され、オペアンプ302の非反転入力端子(+入力端子)がアナロググランドに接続された構成である。同様に、本実施形態のチャージアンプ310は、オペアンプ312の反転入力端子(−入力端子)と出力端子の間にコンデンサー314が接続され、オペアンプ312の非反転入力端子(+入力端子)がアナロググランドに接続された構成である。コンデンサー304と314の容量値は同じ値に設定される。このチャージアンプ300及び310は、それぞれ入力された交流電荷(検出電流)32,34を交流電圧信号に変換する。チャージアンプ300に入力される交流電荷(検出電流)32とチャージアンプ310に入力される交流電荷(検出電流)34は互いに位相が180°異なり、チャージアンプ300の出力信号とチャージアンプ310の出力信号の位相は互いに逆位相である(180°ずれている)。   In the charge amplifier 300 of this embodiment, a capacitor 304 is connected between an inverting input terminal (−input terminal) and an output terminal of the operational amplifier 302, and a non-inverting input terminal (+ input terminal) of the operational amplifier 302 is connected to an analog ground. It is a configuration. Similarly, in the charge amplifier 310 of this embodiment, a capacitor 314 is connected between the inverting input terminal (−input terminal) and the output terminal of the operational amplifier 312, and the non-inverting input terminal (+ input terminal) of the operational amplifier 312 is analog ground. It is the structure connected to. The capacitance values of the capacitors 304 and 314 are set to the same value. The charge amplifiers 300 and 310 convert the input AC charges (detection currents) 32 and 34, respectively, into AC voltage signals. The AC charge (detection current) 32 input to the charge amplifier 300 and the AC charge (detection current) 34 input to the charge amplifier 310 are 180 degrees out of phase with each other, and the output signal of the charge amplifier 300 and the output signal of the charge amplifier 310 Are in opposite phases (shifted by 180 °).

このチャージアンプ300の出力電圧VCA1は、検出電流32をi、検出電流32の角周波数をω、コンデンサー304の容量値をCとすると、次式(7)で表される。 The output voltage V CA1 of the charge amplifier 300 is expressed by the following equation (7), where i 1 is the detection current 32, ω 1 is the angular frequency of the detection current 32, and C is the capacitance value of the capacitor 304.

Figure 0005752441
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チャージアンプ310の出力電圧VCA2は、検出電流34が−i、検出電流34の周波数がω、コンデンサー314の容量値がCなので、次式(8)で表される。 The output voltage V CA2 of the charge amplifier 310 is expressed by the following equation (8) because the detection current 34 is −i 1 , the frequency of the detection current 34 is ω 1 , and the capacitance value of the capacitor 314 is C.

Figure 0005752441
Figure 0005752441

ここで、iは、駆動信号22の振幅VDRに比例するので、式(6)、式(7)、式(8)より、VCA1とVCA2は、適当な係数Bを用いてそれぞれ式(9)と式(10)で表される。 Here, since i 1 is proportional to the amplitude V DR of the drive signal 22, from equations (6), (7), and (8), V CA1 and V CA2 are respectively determined using an appropriate coefficient B. It represents with Formula (9) and Formula (10).

Figure 0005752441
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Figure 0005752441
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差動アンプ320は、チャージアンプ300の出力信号とチャージアンプ310の出力信号を差動増幅する。差動アンプ320により、同相成分はキャンセルされ、逆相成分は加算増幅される。この差動アンプ320の出力電圧VDFは、差動アンプ320のゲインを1とすると、式(9)と式(10)より、次式(11)で表される。 The differential amplifier 320 differentially amplifies the output signal of the charge amplifier 300 and the output signal of the charge amplifier 310. The differential amplifier 320 cancels the in-phase component and adds and amplifies the anti-phase component. The output voltage V DF of the differential amplifier 320 is expressed by the following equation (11) from the equations (9) and (10) when the gain of the differential amplifier 320 is 1.

Figure 0005752441
Figure 0005752441

式(11)より、差動アンプ320の出力信号において、前述したI/V変換回路200の抵抗204の抵抗値Rの製造ばらつきや温度変動分は、RCフィルター220の抵抗222の抵抗値Rの製造ばらつきや温度変動分によって打ち消されることになる。同様に、チャージアンプ300のコンデンサー304やチャージアンプ310のコンデンサー314の容量値Cの製造ばらつきや温度変動分は、RCフィルター220のコンデンサー224の容量値Cの製造ばらつきや温度変動分によって打ち消されることになる。これにより、角速度の検出精度や検出感度の劣化を抑制することができる。 From the equation (11), in the output signal of the differential amplifier 320, the manufacturing variation and the temperature variation of the resistance value R of the resistor 204 of the I / V conversion circuit 200 described above are the resistance value R 1 of the resistor 222 of the RC filter 220. It will be canceled due to manufacturing variations and temperature fluctuations. The same manner, manufacturing variations and temperature variation in the capacitance value C of the capacitor 314 of the capacitor 304 and charge amplifier 310 of the charge amplifier 300 is canceled by the manufacturing variations and temperature variation in the capacitance value C 1 of the capacitor 224 of the RC filter 220 It will be. As a result, it is possible to suppress deterioration in detection accuracy and detection sensitivity of the angular velocity.

ハイパスフィルター322は、差動アンプ320の出力信号に含まれる直流成分をキャンセルする。   The high pass filter 322 cancels the DC component included in the output signal of the differential amplifier 320.

アンプ324は、ハイパスフィルター322の出力信号を増幅した交流電圧信号を出力する。   The amplifier 324 outputs an AC voltage signal obtained by amplifying the output signal of the high pass filter 322.

同期検波回路326は、駆動回路20に含まれるコンパレーター260が出力する2値化信号を参照信号26として、アンプ324の出力信号に含まれる角速度成分を同期検波する。同期検波回路326は、例えば、参照信号26がハイレベルの時はアンプ324の出力信号をそのまま選択し、参照信号26がローレベルの時はアンプ324の出力信号を基準電圧12に対して反転した信号を選択する回路として構成することができる。   The synchronous detection circuit 326 synchronously detects an angular velocity component included in the output signal of the amplifier 324 using the binarized signal output from the comparator 260 included in the drive circuit 20 as a reference signal 26. For example, the synchronous detection circuit 326 selects the output signal of the amplifier 324 as it is when the reference signal 26 is at a high level, and inverts the output signal of the amplifier 324 with respect to the reference voltage 12 when the reference signal 26 is at a low level. It can be configured as a circuit for selecting a signal.

アンプ324の出力信号には角速度成分と振動漏れ成分が含まれているが、この角速度成分は参照信号26と同位相であるのに対して、振動漏れ成分は逆位相である。そのため、同期検波回路326により角速度成分は同期検波されるが、振動漏れ成分は検波されないようになっている。   The output signal of the amplifier 324 includes an angular velocity component and a vibration leakage component. The angular velocity component has the same phase as the reference signal 26, whereas the vibration leakage component has an opposite phase. Therefore, the angular velocity component is synchronously detected by the synchronous detection circuit 326, but the vibration leakage component is not detected.

可変ゲインアンプ328は、同期検波回路326の出力信号を増幅又は減衰させて所望の電圧レベルの信号を出力し、可変ゲインアンプ328の出力信号はスイッチトキャパシタフィルター(SCF)回路330に入力される。   The variable gain amplifier 328 amplifies or attenuates the output signal of the synchronous detection circuit 326 and outputs a signal having a desired voltage level. The output signal of the variable gain amplifier 328 is input to the switched capacitor filter (SCF) circuit 330.

SCF回路330は、可変ゲインアンプ328の出力信号に含まれる高周波成分を除去するとともに仕様で決められる周波数範囲の信号を通過させるローパスフィルターとして機能する。このSCF回路330(ローパスフィルター)の周波数特性は、振動子100の安定発振により得られるクロック信号28の周波数fとキャパシター(不図示)の容量比によって決まるため、RCローパスフィルターと比較して、周波数特性のばらつきが極めて小さいという利点がある。 The SCF circuit 330 functions as a low-pass filter that removes a high-frequency component contained in the output signal of the variable gain amplifier 328 and passes a signal in a frequency range determined by specifications. The frequency characteristic of the SCF circuit 330 (low-pass filter) is determined by the frequency ratio f d of the clock signal 28 obtained by stable oscillation of the vibrator 100 and the capacitance ratio of the capacitor (not shown). There is an advantage that variation in frequency characteristics is extremely small.

SCF回路330の出力信号は、出力バッファ332でバッファリングされるとともに、必要に応じて所望の電圧レベルの信号に増幅又は減衰される。この出力バッファ326の出力信号は角速度に応じた電圧レベルの信号であり、角速度信号36として、信号処理IC2の外部出力端子88を介して外部に出力される。   The output signal of the SCF circuit 330 is buffered by the output buffer 332 and amplified or attenuated to a signal having a desired voltage level as necessary. The output signal of the output buffer 326 is a signal having a voltage level corresponding to the angular velocity, and is output to the outside as the angular velocity signal 36 via the external output terminal 88 of the signal processing IC 2.

このような構成の角速度検出装置1では、前述したように、電源投入から振動子100の発振待ち時間が経過するまでは駆動回路20のスイッチ218をオフすることで発振待ち時間を短縮することができる。振動子100の発振待ち時間が短縮されることで、振動子100から出力される検出電流32,34が安定するまでの時間も短縮されるので、結果的に、図9に示すように、電源投入後、角速度信号36が所望の電圧レベル(例えば、角速度検出装置1が静止しているとすると、基準電圧Vref付近)に達するまでの起動時間はtからtに短縮される。なお、図9において角速度信号36の破線で示した波形は、スイッチ218が常にオンしている場合、すなわち、第1の信号線と第2の信号線の間に、振動子100の安定発振を維持するために必要な容量C+Cが常に接続されている場合の波形であり、この場合の起動時間をtとしている。 In the angular velocity detection device 1 having such a configuration, as described above, the oscillation waiting time can be shortened by turning off the switch 218 of the drive circuit 20 until the oscillation waiting time of the vibrator 100 elapses after the power is turned on. it can. Since the oscillation waiting time of the vibrator 100 is shortened, the time until the detection currents 32 and 34 output from the vibrator 100 are stabilized is also shortened. As a result, as shown in FIG. After the input, the startup time until the angular velocity signal 36 reaches a desired voltage level (for example, near the reference voltage Vref if the angular velocity detection device 1 is stationary) is shortened from t 2 to t 1 . Note that the waveform indicated by the broken line of the angular velocity signal 36 in FIG. 9 indicates stable oscillation of the vibrator 100 when the switch 218 is always on, that is, between the first signal line and the second signal line. This is a waveform when the capacity C 1 + C 2 necessary for maintaining is always connected, and the activation time in this case is t 2 .

一方、振動子100の発振待ち時間の経過後は、駆動回路20のスイッチ218をオンすることで振動子100の安定発振を継続させることができる。その結果、振動子100の安定発振後は高い検出精度を維持することができる。   On the other hand, after the oscillation waiting time of the vibrator 100 has elapsed, the stable oscillation of the vibrator 100 can be continued by turning on the switch 218 of the drive circuit 20. As a result, high detection accuracy can be maintained after stable oscillation of the vibrator 100.

このように、本実施形態の角速度検出装置1によれば、起動時間を短縮するとともに高い精度で角速度を検出することができる。   Thus, according to the angular velocity detection device 1 of the present embodiment, it is possible to detect the angular velocity with high accuracy while reducing the activation time.

なお、本実施形態における駆動回路20は、本発明における駆動回路に相当する。また、I/V変換回路200は、本発明における「電流電圧変換部」に相当する。また、ハイパスフィルター210とコンパレーター212による構成は、本発明における「駆動信号生成部」に相当する。また、発振検出回路270は、本発明における「発振検出部」に相当する。また、起動発振回路280は、本発明における「起動発振部」に相当する。また、コンデンサー216は、本発明における「第1のコンデンサー」に相当する。また、スイッチ218は、本発明における「スイッチ」に相当する。また、コンデンサー214は、本発明における「第2のコンデンサー」に相当する。   The drive circuit 20 in the present embodiment corresponds to the drive circuit in the present invention. The I / V conversion circuit 200 corresponds to a “current / voltage conversion unit” in the present invention. The configuration of the high pass filter 210 and the comparator 212 corresponds to the “drive signal generation unit” in the present invention. The oscillation detection circuit 270 corresponds to an “oscillation detection unit” in the present invention. The startup oscillation circuit 280 corresponds to a “startup oscillation unit” in the present invention. The capacitor 216 corresponds to the “first capacitor” in the present invention. The switch 218 corresponds to the “switch” in the present invention. The capacitor 214 corresponds to a “second capacitor” in the present invention.

2.電子機器
図10は、本実施形態の電子機器の構成例を示す機能ブロック図である。本実施形態の電子機器500は、信号生成部600、CPU700、操作部710、表示部720、ROM(Read Only Memory)730、RAM(Random Access Memory)740、通信部750を含んで構成されている。なお、本実施形態の電子機器は、図10の構成要素(各部)の一部を省略したり、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
2. Electronic Device FIG. 10 is a functional block diagram illustrating a configuration example of the electronic device of the present embodiment. The electronic device 500 of this embodiment includes a signal generation unit 600, a CPU 700, an operation unit 710, a display unit 720, a ROM (Read Only Memory) 730, a RAM (Random Access Memory) 740, and a communication unit 750. . Note that the electronic device of this embodiment may have a configuration in which some of the components (each unit) in FIG. 10 are omitted or other components are added.

信号生成部600は、駆動回路610を含み、CPU700の制御に応じて所与の信号を生成してCPU700に出力する。駆動回路610は、振動子(不図示)を発振駆動する処理を行う。   The signal generation unit 600 includes a drive circuit 610, generates a given signal according to the control of the CPU 700, and outputs it to the CPU 700. The drive circuit 610 performs a process of oscillating and driving a vibrator (not shown).

CPU700は、ROM730に記憶されているプログラムに従って、各種の計算処理や制御処理を行う。具体的には、CPU700は、信号生成部600を制御したり、信号生成部600が生成した信号などを受け取って各種の計算処理をする。また、CPU700は、操作部710からの操作信号に応じた各種の処理、表示部720に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理、外部とデータ通信を行うために通信部750を制御する処理等を行う。   The CPU 700 performs various calculation processes and control processes in accordance with programs stored in the ROM 730. Specifically, the CPU 700 controls the signal generation unit 600 or receives a signal generated by the signal generation unit 600 and performs various calculation processes. In addition, the CPU 700 uses the communication unit 750 to perform various processes in accordance with operation signals from the operation unit 710, to transmit display signals for displaying various types of information on the display unit 720, and to perform data communication with the outside. Performs control processing and the like.

操作部710は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をCPU700に出力する。   The operation unit 710 is an input device including operation keys, button switches, and the like, and outputs an operation signal corresponding to an operation by the user to the CPU 700.

表示部720は、LCD(Liquid Crystal Display)等により構成される表示装置であり、CPU700から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。   The display unit 720 is a display device configured by an LCD (Liquid Crystal Display) or the like, and displays various types of information based on a display signal input from the CPU 700.

ROM730は、CPU700が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムや、所定の機能を実現するための各種プログラムやデータ等を記憶している。   The ROM 730 stores programs for the CPU 700 to perform various calculation processes and control processes, various programs and data for realizing predetermined functions, and the like.

RAM740は、CPU700の作業領域として用いられ、ROM730から読み出されたプログラムやデータ、操作部710から入力されたデータ、CPU700が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。   The RAM 740 is used as a work area of the CPU 700, and temporarily stores programs and data read from the ROM 730, data input from the operation unit 710, calculation results executed by the CPU 700 according to various programs, and the like.

通信部750は、CPU700と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。   The communication unit 750 performs various controls for establishing data communication between the CPU 700 and an external device.

駆動回路610として本実施形態の駆動回路(図1の駆動回路20)を電子機器500に組み込むことにより、高精度な処理と処理時間の短縮を両立させることができる。   By incorporating the drive circuit of this embodiment (the drive circuit 20 in FIG. 1) in the electronic device 500 as the drive circuit 610, both high-precision processing and reduction in processing time can be achieved.

なお、電子機器500としては種々の電子機器が考えられ、例えば、デジタルスチールカメラ、ビデオカメラ、ナビゲーション装置、車体姿勢検出装置、ポインティングデバイス、ゲームコントローラー、携帯電話、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)などが挙げられる。   Note that various electronic devices can be considered as the electronic device 500, such as a digital still camera, a video camera, a navigation device, a vehicle body posture detection device, a pointing device, a game controller, a mobile phone, and a head mounted display (HMD). It is done.

なお、本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。   In addition, this invention is not limited to this embodiment, A various deformation | transformation implementation is possible within the range of the summary of this invention.

例えば、振動子(センサー素子)の駆動振動の励振手段や検出振動の検出手段は、本実施形態で説明した圧電効果によるものだけでなく、静電気力(クーロン力)を用いた静電型や、磁力を利用したローレンツ型などでも良い。   For example, the excitation means for driving vibration of the vibrator (sensor element) and the detection means for detection vibration are not only based on the piezoelectric effect described in the present embodiment, but also an electrostatic type using electrostatic force (Coulomb force), A Lorentz type using magnetic force may be used.

また、例えば、駆動信号22のハイレベルが同期検波回路326における論理閾値を越えない場合は、駆動信号22をバッファリングして得られる信号をSCF回路330のクロック信号28としてもよい。   For example, when the high level of the drive signal 22 does not exceed the logical threshold value in the synchronous detection circuit 326, a signal obtained by buffering the drive signal 22 may be used as the clock signal 28 of the SCF circuit 330.

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。   The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

1 角速度検出装置、2 信号処理IC(集積回路装置)、4 信号処理回路、6 電源回路、10 基準電圧回路、20 駆動回路、22 駆動信号、24 発振電流、26 参照信号、27 切り替え制御信号、28 クロック信号、30 検出回路、32,34 交流電荷(検出電流)、36 角速度信号、40 シリアルインターフェース回路、42 調整データ、44 モード設定データ、46 クロック信号、48 シリアルデータ信号、50 不揮発性メモリー、52 調整データ、60 調整回路、62 アナログ調整電圧、70 レベル判定回路、72 レベル判定信号、81 外部出力端子、82,83,84,85,86,87 外部入力端子、88 外部出力端子、89 外部入力端子、90 外部入出力端子、92 プルアップ抵抗、100 振動子、101a〜101b 駆動振動腕、102 検出振動腕、103 錘部、104a〜104b 駆動用基部、105a〜105b 連結腕、106 錘部、107 検出用基部、112〜113 駆動電極、114〜115 検出電極、116 共通電極、200 I/V変換回路(電流電圧変換回路)、202 オペアンプ、204 抵抗、210 ハイパスフィルター(HPF)、212 コンパレーター、214,216 コンデンサー、218 スイッチ、220 RCフィルター、222 抵抗、224 コンデンサー、230 アンプ、240 全波整流回路、242 全波整流信号、250 減算器、252 積分器、254 プルアップ抵抗、260 コンパレーター、262 バッファ回路、270 発振検出回路、272 スイッチ制御信号、280 起動発振回路、282 スイッチ、290 インバーター回路(反転論理回路)、292 スイッチ制御信号、300 チャージアンプ、302 オペアンプ、304 コンデンサー、310 チャージアンプ、312 オペアンプ、314 コンデンサー、320 差動アンプ、322 ハイパスフィルター(HPF)、324 アンプ、326 同期検波回路、328 可変ゲインアンプ、330 スイッチトキャパシタフィルター(SCF)、332 出力バッファ、500 電子機器、600 信号生成部、610 駆動回路、700 CPU、710 操作部、720 表示部、730 ROM、740 RAM、750 通信部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Angular velocity detection apparatus, 2 Signal processing IC (integrated circuit apparatus), 4 Signal processing circuit, 6 Power supply circuit, 10 Reference voltage circuit, 20 Drive circuit, 22 Drive signal, 24 Oscillation current, 26 Reference signal, 27 Switching control signal, 28 clock signal, 30 detection circuit, 32, 34 AC charge (detection current), 36 angular velocity signal, 40 serial interface circuit, 42 adjustment data, 44 mode setting data, 46 clock signal, 48 serial data signal, 50 nonvolatile memory, 52 adjustment data, 60 adjustment circuit, 62 analog adjustment voltage, 70 level determination circuit, 72 level determination signal, 81 external output terminal, 82, 83, 84, 85, 86, 87 external input terminal, 88 external output terminal, 89 external Input terminal, 90 External input / output terminal, 92 Pull-up resistor, 00 vibrator, 101a to 101b drive vibration arm, 102 detection vibration arm, 103 weight part, 104a to 104b drive base, 105a to 105b connection arm, 106 weight part, 107 detection base, 112 to 113 drive electrode, 114 to 115 detection electrode, 116 common electrode, 200 I / V conversion circuit (current-voltage conversion circuit), 202 operational amplifier, 204 resistance, 210 high pass filter (HPF), 212 comparator, 214, 216 capacitor, 218 switch, 220 RC filter, 222 resistor, 224 capacitor, 230 amplifier, 240 full-wave rectifier circuit, 242 full-wave rectified signal, 250 subtractor, 252 integrator, 254 pull-up resistor, 260 comparator, 262 buffer circuit, 270 oscillation detection circuit, 272 Switch control signal, 280 start-up oscillation circuit, 282 switch, 290 inverter circuit (inverted logic circuit), 292 switch control signal, 300 charge amplifier, 302 operational amplifier, 304 capacitor, 310 charge amplifier, 312 operational amplifier, 314 capacitor, 320 differential Amplifier, 322 High-pass filter (HPF), 324 Amplifier, 326 Synchronous detection circuit, 328 Variable gain amplifier, 330 Switched capacitor filter (SCF), 332 Output buffer, 500 Electronic device, 600 Signal generator, 610 Drive circuit, 700 CPU, 710 operation unit, 720 display unit, 730 ROM, 740 RAM, 750 communication unit

Claims (8)

振動子を発振駆動する駆動回路であって、
第1の信号線を介して入力された前記振動子の発振電流を電圧に変換する電流電圧変換部と、
前記電流電圧変換部により電圧に変換された信号に基づいて前記振動子を発振駆動する駆動信号を生成し、当該駆動信号を第2の信号線を介して前記振動子に供給する駆動信号生成部と、
前記電流電圧変換部により電圧に変換された信号に基づいて、前記振動子が発振を開始してから前記発振電流が所定値に達したか否かを検出する発振検出部と、
前記発振検出部の検出結果に基づいて、前記発振電流が前記所定値に達するまで自励発振して前記振動子の発振動作を補助する起動発振部と、
第1のコンデンサーと、
前記発振検出部の検出結果に基づいて、前記発振電流が前記所定値に達するまで前記第1のコンデンサーを前記第2の信号線から切り離し、前記発振電流が前記所定値に達した後は前記第1のコンデンサーを前記第2の信号線に接続するスイッチと、を含む、駆動回路。
A drive circuit for oscillating and driving a vibrator,
A current-voltage converter that converts the oscillation current of the vibrator input via the first signal line into a voltage;
A drive signal generator that generates a drive signal for oscillating and driving the vibrator based on the signal converted into a voltage by the current-voltage converter, and supplies the drive signal to the vibrator via a second signal line When,
Based on the signal converted into voltage by the current-voltage converter, an oscillation detector that detects whether or not the oscillation current has reached a predetermined value after the vibrator starts oscillating;
Based on the detection result of the oscillation detection unit, a start-up oscillation unit that assists the oscillation operation of the vibrator by self-oscillation until the oscillation current reaches the predetermined value;
A first capacitor;
Based on the detection result of the oscillation detection unit, the first capacitor is disconnected from the second signal line until the oscillation current reaches the predetermined value, and after the oscillation current reaches the predetermined value, the first capacitor is disconnected. And a switch for connecting one capacitor to the second signal line.
請求項1において、
前記第1のコンデンサーと前記スイッチが、前記第1の信号線と前記第2の信号線との間に直列に接続される、駆動回路。
In claim 1,
The drive circuit, wherein the first capacitor and the switch are connected in series between the first signal line and the second signal line.
請求項1又は2において、
前記第2の信号線に接続される第2のコンデンサーをさらに含む、駆動回路。
In claim 1 or 2,
The drive circuit further comprising a second capacitor connected to the second signal line.
請求項3において、
前記第2のコンデンサーは、
前記第1の信号線と前記第2の信号線との間に接続される、駆動回路。
In claim 3,
The second capacitor is
A drive circuit connected between the first signal line and the second signal line.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の駆動回路と、
当該駆動回路により発振駆動される振動子と、を含む、物理量検出装置。
A drive circuit according to any one of claims 1 to 4,
A physical quantity detection device including a vibrator driven to oscillate by the drive circuit.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の駆動回路を含む、角速度検出装置。 In any one of claims 1 to 4 comprising a driving circuit according angular velocity detecting device. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の駆動回路を含む、集積回路装置。 In any one of claims 1 to 4 comprising a driving circuit according an integrated circuit device. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の駆動回路を含む、電子機器。 In any one of claims 1 to 4 comprising a driving circuit according an electronic device.
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